3-D reconstruction of the human skeleton during motion

L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto, dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici, richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche della stessa. Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la stereofotogrammetria. Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al. 2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente, uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti sulla cute” (Andriacchi et al. 2000). Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio, attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici. Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche. L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale (Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale strumentazione in alcuni casi può essere invasiva. Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto onerosa (Simon 2004). La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo. Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005), (Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione sviluppata ad-hoc. Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici perseguendo i seguenti obiettivi: 1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza, la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica articolare, 2. diminuire il tempo richiesto, 3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita anche da personale non specializzato. Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei seguenti metodi: • Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato manualmente. • E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle. • E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore, rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’ stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16 repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15 minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.

Reconstruction from image correspondences

A single picture provides a largely incomplete representation of the scene one is looking at. Usually it reproduces only a limited spatial portion of the scene according to the standpoint and the viewing angle, besides it contains only instantaneous information. Thus very little can be understood on the geometrical structure of the scene, the position and orientation of the observer with respect to it remaining also hard to guess. When multiple views, taken from different positions in space and time, observe the same scene, then a much deeper knowledge is potentially achievable. Understanding inter-views relations enables construction of a collective representation by fusing the information contained in every single image. Visual reconstruction methods confront with the formidable, and still unanswered, challenge of delivering a comprehensive representation of structure, motion and appearance of a scene from visual information. Multi-view visual reconstruction deals with the inference of relations among multiple views and the exploitation of revealed connections to attain the best possible representation. This thesis investigates novel methods and applications in the field of visual reconstruction from multiple views. Three main threads of research have been pursued: dense geometric reconstruction, camera pose reconstruction, sparse geometric reconstruction of deformable surfaces. Dense geometric reconstruction aims at delivering the appearance of a scene at every single point. The construction of a large panoramic image from a set of traditional pictures has been extensively studied in the context of image mosaicing techniques. An original algorithm for sequential registration suitable for real-time applications has been conceived. The integration of the algorithm into a visual surveillance system has lead to robust and efficient motion detection with Pan-Tilt-Zoom cameras. Moreover, an evaluation methodology for quantitatively assessing and comparing image mosaicing algorithms has been devised and made available to the community. Camera pose reconstruction deals with the recovery of the camera trajectory across an image sequence. A novel mosaic-based pose reconstruction algorithm has been conceived that exploit image-mosaics and traditional pose estimation algorithms to deliver more accurate estimates. An innovative markerless vision-based human-machine interface has also been proposed, so as to allow a user to interact with a gaming applications by moving a hand held consumer grade camera in unstructured environments. Finally, sparse geometric reconstruction refers to the computation of the coarse geometry of an object at few preset points. In this thesis, an innovative shape reconstruction algorithm for deformable objects has been designed. A cooperation with the Solar Impulse project allowed to deploy the algorithm in a very challenging real-world scenario, i.e. the accurate measurements of airplane wings deformations.

Indagine sulla nozione di fatto urbano ne L'architettura della città di Aldo Rossi

Questa tesi di dottorato di ricerca ha come oggetto la nozione di fatto urbano elaborata e presentata da Aldo Rossi nel libro L’architettura della città edito nel 1966. Ne L’architettura della città sono molteplici le definizioni e le forme con cui è enunciata la nozione di fatto urbano. Nel corso della tesi si è indagato come la costruzione nel tempo di questo concetto è stata preceduta da diversi studi giovanili intrapresi dal 1953, poi riorganizzati e sintetizzati a partire dal 1963 in un quaderno manoscritto dal titolo “Manuale di urbanistica”, in diversi appunti e in due quaderni manoscritti. Il lavoro di ricerca ha ricostruito la formulazione della nozione di fatto urbano attraverso gli scritti di Rossi. In questa direzione la rilevazione della partecipazione di Rossi a dibattiti, seminari, riviste, corsi universitari o ricerche accademiche è apparsa di fondamentale importanza, per comprendere la complessità di un lavoro non riconducibile a dei concetti disciplinari, ma alla formazione di una teoria trasmissibile. Il tentativo di comprendere e spiegare la nozione di fatto urbano ha condotto ad esaminare l’accezione con cui Rossi compone L’architettura della città, che egli stesso assimila ad un trattato. L’analisi ha identificato come la composizione del libro non è direttamente riferibile ad un uso classico della stesura editoriale del trattato, la quale ha tra i riferimenti più noti nel passato la promozione di una pratica corretta come nel caso vitruviano o un’impalcatura instauratrice di una nuova categoria come nel caso dell’Alberti. La mancanza di un sistema globale e prescrittivo a differenza dei due libri fondativi e il rimando non immediato alla stesura di un trattato classico è evidente ne L’architettura della città. Tuttavia la possibilità di condurre la ricerca su una serie di documenti inediti ha permesso di rilevare come negli scritti a partire dal 1953, sia maturata una trattazione delle questioni centrali alla nozione di fatto urbano ricca di intuizioni, che aspirano ad un’autonomia, sintetizzate, seppure in modo non sistematico, nella stesura del celebre libro. Si è così cercato di mettere in luce la precisazione nel tempo della nozione di fatto urbano e della sua elaborazione nei molteplici scritti antecedenti la pubblicazione de L’architettura della città, precisando come Rossi, pur costruendo su basi teoriche la nozione di fatto urbano, ne indichi una visione progressiva, ossia un uso operativo sulla città. La ricerca si è proposta come obiettivo di comprendere le radici culturali della nozione di fatto urbano sia tramite un’esplorazione degli interessi di Rossi nel suo percorso formativo sia rispetto alla definizione della struttura materiale del fatto urbano che Rossi individua nelle permanenze e che alimenta nella sua definizione con differenti apporti derivanti da altre discipline. Compito di questa ricerca è stato rileggere criticamente il percorso formativo compiuto da Rossi, a partire dal 1953, sottolinearne gli ambiti innovativi e precisarne i limiti descrittivi che non vedranno mai la determinazione di una nozione esatta, ma piuttosto la strutturazione di una sintesi complessa e ricca di riferimenti ad altri studi. In sintesi la tesi si compone di tre parti: 1. la prima parte, dal titolo “La teoria dei fatti urbani ne L’architettura della città”, analizza il concetto di fatto urbano inserendolo all’interno del più generale contesto teorico contenuto nel libro L’architettura della città. Questo avviene tramite la scomposizione del libro, la concatenazione delle sue argomentazioni e la molteplicità delle fonti esplicitamente citate da Rossi. In questo ambito si precisa la struttura del libro attraverso la rilettura dei riferimenti serviti a Rossi per comporre il suo progetto teorico. Inoltre si ripercorre la sua vita attraverso le varie edizioni, le ristampe, le introduzioni e le illustrazioni. Infine si analizza il ruolo del concetto di fatto urbano nel libro rilevando come sia posto in un rapporto paritetico con il titolo del libro, conseguendone un’accezione di «fatto da osservare» assimilabile all’uso proposto dalla geografia urbana francese dei primi del Novecento. 2. la seconda parte, dal titolo “La formazione della nozione di fatto urbano 1953-66”, è dedicata alla presentazione dell’elaborazione teorica negli scritti di Rossi prima de L’architettura della città, ossia dal 1953 al 1966. Questa parte cerca di descrivere le radici culturali di Rossi, le sue collaborazioni e i suoi interessi ripercorrendo la progressiva definizione della concezione di città nel tempo. Si è analizzato il percorso maturato da Rossi e i documenti scritti fin dagli anni in cui era studente alla Facoltà di Architettura Politecnico di Milano. Emerge un quadro complesso in cui i primi saggi, gli articoli e gli appunti testimoniano una ricerca intellettuale tesa alla costruzione di un sapere sullo sfondo del realismo degli anni Cinquanta. Rossi matura infatti un impegno culturale che lo porta dopo la laurea ad affrontare discorsi più generali sulla città. In particolare la sua importante collaborazione con la rivista Casabella-continuità, con il suo direttore Ernesto Nathan Rogers e tutto il gruppo redazionale segnano il periodo successivo in cui compare l’interesse per la letteratura urbanistica, l’arte, la sociologia, la geografia, l’economia e la filosofia. Seguono poi dal 1963 gli anni di lavoro insieme al gruppo diretto da Carlo Aymonino all’Istituto Universitario di Architettura di Venezia, e in particolare le ricerche sulla tipologia edilizia e la morfologia urbana, che portano Rossi a compiere una sintesi analitica per la fondazione di una teoria della città. Dall’indagine si rileva infatti come gli scritti antecedenti L’architettura della città sviluppano lo studio dei fatti urbani fino ad andare a costituire il nucleo teorico di diversi capitoli del libro. Si racconta così la genesi del libro, la cui scrittura si è svolta nell’arco di due anni, e le aspirazioni che hanno portato quello che era stato concepito come un “manuale d’urbanistica” a divenire quello che Rossi definirà “l’abbozzo di un trattato” per la formulazione di una scienza urbana. 3. la terza parte, dal titolo “La struttura materiale dei fatti urbani: la teoria della permanenza”, indaga monograficamente lo studio della città come un fatto materiale, un manufatto, la cui costruzione è avvenuta nel tempo e del tempo mantiene le tracce. Sul tema della teoria della permanenza è stato importante impostare un confronto con il dibattito vivo negli anni della ricostruzione dopo la guerra intorno ai temi delle preesistenze ambientali nella ricostruzione negli ambienti storici. Sono emersi fin da subito importanti la relazione con Ernesto Nathan Rogers, le discussioni sulle pagine di Casabella-Continuità, la partecipazione ad alcuni dibatti e ricerche. Si è inoltre Rilevato l’uso di diversi termini mutuati dalle tesi filosofiche di alcune personalità come Antonio Banfi e Enzo Paci, poi elaborati dal nucleo redazionale di Casabella-Continuità, di cui faceva parte anche Rossi. Sono così emersi alcuni spostamenti di senso e la formulazione di un vocabolario di termini all’interno della complessa vicenda della cultura architettonica degli anni Cinquanta e Sessanta. 1. Si è poi affrontato questo tema analizzando le forme con cui Rossi presenta la definizione della teoria della permanenza e i contributi desunti da alcuni autori per la costruzione scientifica di una teoria dell’architettura, il cui fine è quello di essere trasmissibile e di offrire strumenti di indagine concreti. Questa ricerca ha permesso di ipotizzare come il lavoro dei geografi francesi della prima metà del XX secolo, e in particolare il contributo più rilevante di Marcel Poëte e di Pierre Lavedan, costituiscono le fonti principali e il campo d’indagine maggiormente esplorato da Rossi per definire la teoria della permanenza e i monumenti. Le permanenze non sono dunque presentate ne L’architettura della città come il “tutto”, ma emergono da un metodo che sceglie di isolare i fatti urbani permanenti, consentendo così di compiere un’ipotesi su “ciò che resta” dopo le trasformazioni continue che operano nella città. Le fonti su cui ho lavorato sono state quelle annunciate da Rossi ne L’architettura della città, e più precisamente i testi nelle edizioni da lui consultate. Anche questo lavoro ha permesso un confronto dei testi che ha fatto emergere ne L’architettura della città l’uso di termini mutuati da linguaggi appartenenti ad altre discipline e quale sia l’uso di concetti estrapolati nella loro interezza. Presupposti metodologici Della formulazione della nozione di fatto urbano si sono indagate l’originalità dell’espressione, le connessioni presunte o contenute negli studi di Rossi sulla città attraverso la raccolta di fonti dirette e indirette che sono andate a formare un notevole corpus di scritti. Le fonti dirette più rilevanti sono state trovare nelle collezioni speciali del Getty Research Institute di Los Angeles in cui sono conservati gli Aldo Rossi Papers, questo archivio comprende materiali inediti dal 1954 al 1988. La natura dei materiali si presenta sotto forma di manoscritti, dattiloscritti, quaderni, documenti ciclostilati, appunti sparsi e una notevole quantità di corrispondenza. Negli Aldo Rossi Papers si trovano anche 32 dei 47 Quaderni Azzurri, le bozze de L’architettura della città e dell’ Autobiografia Scientifica. Per quanto riguarda in particolare L’architettura della città negli Aldo Rossi Papers sono conservati: un quaderno con il titolo “Manuale d’urbanistica, giugno 1963”, chiara prima bozza del libro, degli “Appunti per libro urbanistica estate/inverno 1963”, un quaderno con la copertina rossa datato 20 settembre 1964-8 agosto 1965 e un quaderno con la copertina blu datato 30 agosto 1965-15 dicembre 1965. La possibilità di accedere a questo archivio ha permesso di incrementare la bibliografia relativa agli studi giovanili consentendo di rileggere il percorso culturale in cui Rossi si è formato. E’ così apparsa fondamentale la rivalutazione di alcune questioni relative al realismo socialista che hanno portato a formare un più preciso quadro dei primi scritti di Rossi sullo sfondo di un complesso scenario intellettuale. A questi testi si è affiancata la raccolta delle ricerche universitarie, degli articoli pubblicati su riviste specializzate e degli interventi a dibattiti e seminari. A proposito de L’architettura della città si è raccolta un’ampia letteratura critica riferita sia al testo in specifico che ad una sua collocazione nella storia dell’architettura, mettendo in discussione alcune osservazioni che pongono L’architettura della città come un libro risolutivo e definitivo. Per quanto riguarda il capitolo sulla teoria della permanenza l’analisi è stata svolta a partire dai testi che Rossi stesso indicava ne L’architettura della città rivelando i diversi apporti della letteratura urbanistica francese, e permettendo alla ricerca di precisare le relazioni con alcuni scritti centrali e al contempo colti da Rossi come opportunità per intraprendere l’elaborazione dell’idea di tipo. Per quest’ultima parte si può precisare come Rossi formuli la sua idea di tipo in un contesto culturale dove l’interesse per questo tema era fondamentale. Dunque le fonti che hanno assunto maggior rilievo in quest’ultima fase emergono da un ricco panorama in cui Rossi compie diverse ricerche sia con il gruppo redazionale di Casabella-continuità, sia all’interno della scuola veneziana negli anni Sessanta, ma anche negli studi per l’ILSES e per l’Istituto Nazionale d’Urbanistica. RESEARCH ON THE NOTION OF URBAN ARTIFACT IN THE ARCHITECTURE OF THE CITY BY ALDO ROSSI. Doctoral candidate: Letizia Biondi Tutor: Valter Balducci The present doctoral dissertation deals with the notion of urban artifact that was formulated and presented by Aldo Rossi in his book The Architecture of the City, published in 1966. In The Architecture of the City, the notion of urban artifact is enunciated through a wide range of definitions and forms. In this thesis, a research was done on how the construction of this concept over time was preceded by various studies started in 1953 during the author’s youth, then re-organized and synthesized since 1963 in a manuscript titled “Manual of urban planning” and in two more manuscripts later on. The work of research re-constructed the formulation of the notion of urban artifact through Rossi’s writings. In this sense, the examination of Rossi’s participation in debates, seminars, reviews, university courses or academic researches was of fundamental importance to understand the complexity of a work which is not to be attributed to disciplinary concepts, but to the formulation of a communicable theory. The effort to understand and to explain the notion of urban artifact led to an examination of the meaning used by Rossi to compose The Architecture of the City, which he defines as similar to a treatise. Through this analysis, it emerged that the composition of the book is not directly ascribable to the classical use of editorial writing of a treatise, whose most famous references in the past are the promotion of a correct practice as in the case of Vitruvio’s treatise, or the use of a structure that introduces a new category as in the Alberti case. Contrary to the two founding books, the lack of a global and prescriptive system and the not immediate reference to the writing of a classical treatise are evident in The Architecture of the City. However, the possibility of researching on some unpublished documents allowed to discover that in the writings starting from 1953 the analysis of the questions that are at the core of the notion of urban artifact is rich of intuitions, that aim to autonomy and that would be synthesized, even though not in a systematic way, in his famous book. The attempt was that of highlighting the specification over time of the notion of urban artifact and its elaboration in the various writings preceding the publication of The Architecture of the City. It was also specified that, despite building on theoretical grounds, Rossi indicates a progressive version of the notion of urban artifact, that is a performing use in the city. The present research aims to understand the cultural roots of the notion of urban artifact in two main directions: analyzing, firstly, Rossi’s interests along his formation path and, secondly, the definition of material structure of an urban artifact identified by Rossi in the permanences and enriched by various contributions from other disciplines. The purpose of the present research is to revise the formation path made by Rossi in a critical way, starting by 1953, underlining its innovative aspects and identifying its describing limits, which will never lead to the formulation of an exact notion, but rather to the elaboration of a complex synthesis, enriched by references to other studies. In brief, the thesis is composed of three parts: 1. The first part, titled “The Theory of urban artifacts in The Architecture of the City”, analyzes the concept of urban artifact in the more general theoretical context of the book The Architecture of the City. Such analysis is done by “disassembling” the book, and by linking together the argumentations and the multiplicity of the sources which are explicitly quoted by Rossi. In this context, the book’s structure is defined more precisely through the revision of the references used by Rossi to compose his theoretical project. Moreover, the author’s life is traced back through the various editions, re-printings, introductions and illustrations. Finally, it is specified which role the concept of urban artifact has in the book, pointing out that it is placed in an equal relation with the book’s title; by so doing, the concept of urban artifact gets the new meaning of “fact to be observed”, similar to the use that was suggested by the French urban geography at the beginning of the 20th century. 2. The second part, titled “The formation of the notion of urban artifact 1953-66”, introduces the theoretical elaboration in Rossi’s writings before The Architecture of the City, that is from 1953 to 1966. This part tries to describe Rossi’s cultural roots, his collaborations and his interests, tracing back the progressive definition of his conception of city over time. The analysis focuses on the path followed by Rossi and on the documents that he wrote since the years as a student at the Department of Architecture at the Politecnico in Milan. This leads to a complex scenario of first essays, articles and notes that bear witness to the intellectual research aiming to the construction of a knowledge on the background of the Realism of the 1950s. Rossi develops, in fact, a cultural engagement that leads him after his studies to deal with more general issues about the city. In particular, his important collaboration with the architecture magazine “Casabella-continuità”, with the director Ernesto Nathan Rogers and with the whole redaction staff mark the following period when he starts getting interested in city planning literature, art, sociology, geography, economics and philosophy. Since 1963, Rossi has worked with the group directed by Carlo Aymonino at the “Istituto Universitario di Architettura” (University Institute of Architecture) in Venice, especially researching on building typologies and urban morphology. During these years, Rossi elaborates an analytical synthesis for the formulation of a theory about the city. From the present research, it is evident that the writings preceding The Architecture of the City develop the studies on urban artifacts, which will become theoretical core of different chapters of the book. In conclusion, the genesis of the book is described; written in two years, what was conceived to be an “urban planning manual” became a “treatise draft” for the formulation of an urban science, as Rossi defines it. 3. The third part is titled “The material structure of urban artifacts: the theory of permanence”. This research is made on the study of the city as a material fact, a manufacture, whose construction was made over time, bearing the traces of time. As far as the topic of permanence is concerned, it was also important to draw a comparison with the debate about the issues of environmental pre-existence of re-construction in historical areas, which was very lively during the years of the Reconstruction. Right from the beginning, of fundamental importance were the relationship with Ernesto Nathan Rogers, the discussions on the pages of Casabella-Continuità and the participation to some debates and researches. It is to note that various terms were taken by the philosophical thesis by some personalities such as Antonio Banfi and Enzo Paci, and then re-elaborated by the redaction staff at Casabella-Continuità, which Rossi took part in as well. Through this analysis, it emerged that there were some shifts in meaning and the formulation of a vocabulary of terms within the complex area of the architectonic culture in the 1950s and 1960s. Then, I examined the shapes in which Rossi introduces the definition of the theory of permanence and the references by some authors for the scientific construction of an architecture theory whose aim is being communicable and offering concrete research tools. Such analysis allowed making a hypothesis about the significance for Rossi of the French geographers of the first half of the 20th century: in particular, the work by Marcel Poëte and by Pierre Lavedan is the main source and the research area which Rossi mostly explored to define the theory of permanence and monuments. Therefore, in The Architecture of the City, permanencies are not presented as the “whole”, but they emerge from a method which isolates permanent urban artifacts, in this way allowing making a hypothesis on “what remains” after the continuous transformations made in the city. The sources examined were quoted by Rossi in The Architecture of the City; in particular I analyzed them in the same edition which Rossi referred to. Through such an analysis, it was possible to make a comparison of the texts with one another, which let emerge the use of terms taken by languages belonging to other disciplines in The Architecture of the City and which the use of wholly extrapolated concepts is. Methodological premises As far as the formulation of the notion of urban artifact is concerned, the analysis focuses on the originality of the expression, the connections that are assumed or contained in Rossi’s writings about the city, by collecting direct and indirect sources which formed a significant corpus of writings. The most relevant direct sources were found in the special collections of the Getty Research Institute in Los Angeles, where the “Aldo Rossi Papers” are conserved. This archive contains unpublished material from 1954 to 1988, such as manuscripts, typescripts, notebooks, cyclostyled documents, scraps and notes, and several letters. In the Aldo Rossi Papers there are also 32 out of the 47 Light Blue Notebooks (Quaderni Azzurri), the rough drafts of The Architecture of the City and of the “A Scientific Autobiography”. As regards The Architecture of the City in particular, the Aldo Rossi Papers preserve: a notebook by the title of “Urban planning manual, June, 1963”, which is an explicit first draft of the book; “Notes for urban planning book summer/winter 1963”; a notebook with a red cover dated September 20th, 1964 – August 8th, 1965; and a notebook with a blue cover dated August 30th, 1965 – December 15th, 1965. The possibility of accessing this archive allowed to increase the bibliography related to the youth studies, enabling a revision of the cultural path followed by Rossi’s education. To that end, it was fundamental to re-evaluate some issues linked to the socialist realism which led to a more precise picture of the first writings by Rossi against the background of the intellectual scenario where he formed. In addition to these texts, the collection of university researches, the articles published on specialized reviews and the speeches at debates and seminars were also examined. About The Architecture of the City, a wide-ranging critical literature was collected, related both to the text specifics and to its collocation in the story of architecture, questioning some observations which define The Architecture of the City as a conclusive and definite book. As far as the chapter on the permanence theory is concerned, the analysis started by the texts that Rossi indicated in The Architecture of the City, revealing the different contributions from the French literature on urban planning. This allowed to the present research a more specific definition of the connections to some central writings which, at the same time, were seen by Rossi as an opportunity to start up the elaboration of the idea of type. For this last part, it can be specified that Rossi formulates his idea of type in a cultural context where the interest in this topic was fundamental. Therefore, the sources which played a central role in this final phase emerge from an extensive panorama in which Rossi researched not only with the redaction staff at Casablanca-continuità and within the School of Venice in the 1960s, but also in his studies for the ILSES (Institute of the Region Lombardia for Economics and Social Studies) and for the National Institute of Urban Planning.

Reconstruction of CNGS neutrino events in the emulsions of the OPERA experiment

The OPERA experiment aims at the direct observation of ν_mu -> ν_tau oscillations in the CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) neutrino beam produced at CERN; since the ν_e contamination in the CNGS beam is low, OPERA will also be able to study the sub-dominant oscillation channel ν_mu -> ν_e. OPERA is a large scale hybrid apparatus divided in two supermodules, each equipped with electronic detectors, an iron spectrometer and a highly segmented ~0.7 kton target section made of Emulsion Cloud Chamber (ECC) units. During my research work in the Bologna Lab. I have taken part to the set-up of the automatic scanning microscopes studying and tuning the scanning system performances and efficiencies with emulsions exposed to a test beam at CERN in 2007. Once the triggered bricks were distributed to the collaboration laboratories, my work was centered on the procedure used for the localization and the reconstruction of neutrino events.

Reconstruction and analysis of the NF-kB pathway interactome: a systems biology approach

Background. One of the phenomena observed in human aging is the progressive increase of a systemic inflammatory state, a condition referred to as “inflammaging”, negatively correlated with longevity. A prominent mediator of inflammation is the transcription factor NF-kB, that acts as key transcriptional regulator of many genes coding for pro-inflammatory cytokines. Many different signaling pathways activated by very diverse stimuli converge on NF-kB, resulting in a regulatory network characterized by high complexity. NF-kB signaling has been proposed to be responsible of inflammaging. Scope of this analysis is to provide a wider, systemic picture of such intricate signaling and interaction network: the NF-kB pathway interactome. Methods. The study has been carried out following a workflow for gathering information from literature as well as from several pathway and protein interactions databases, and for integrating and analyzing existing data and the relative reconstructed representations by using the available computational tools. Strong manual intervention has been necessarily used to integrate data from multiple sources into mathematically analyzable networks. The reconstruction of the NF-kB interactome pursued with this approach provides a starting point for a general view of the architecture and for a deeper analysis and understanding of this complex regulatory system. Results. A “core” and a “wider” NF-kB pathway interactome, consisting of 140 and 3146 proteins respectively, were reconstructed and analyzed through a mathematical, graph-theoretical approach. Among other interesting features, the topological characterization of the interactomes shows that a relevant number of interacting proteins are in turn products of genes that are controlled and regulated in their expression exactly by NF-kB transcription factors. These “feedback loops”, not always well-known, deserve deeper investigation since they may have a role in tuning the response and the output consequent to NF-kB pathway initiation, in regulating the intensity of the response, or its homeostasis and balance in order to make the functioning of such critical system more robust and reliable. This integrated view allows to shed light on the functional structure and on some of the crucial nodes of thet NF-kB transcription factors interactome. Conclusion. Framing structure and dynamics of the NF-kB interactome into a wider, systemic picture would be a significant step toward a better understanding of how NF-kB globally regulates diverse gene programs and phenotypes. This study represents a step towards a more complete and integrated view of the NF-kB signaling system.

Il concetto di sezione nel metodo compositivo di Aldo Rossi.

Purpose of this research is to deepen the study on the section in architecture. The survey aims as important elements in the project Teatro Domestico by Aldo Rossi built for the XVII Triennale di Milano in 1986 and, through the implementation on several topics of architecture, verify the timeliness and fertility in the new compositional exercises. Through the study of certain areas of the Rossi’s theory we tried to find a common thread for the reading of the theater project. The theater is the place of the ephemeral and the artificial, which is why his destiny is the end and the fatal loss. The design and construction of theater setting has always had a double meaning between the value of civil architecture and testing of new technologies available. Rossi's experience in this area are clear examples of the inseparable relationship between the representation of architecture as art and design of architecture as a model of reality. In the Teatro Domestico, the distinction between representation and the real world is constantly canceled and returned through the reversal of the meaning and through the skip of scale. At present, studies conducted on the work of Rossi concern the report that the architectural composition is the theory of form, focusing compositional development of a manufacturing process between the typological analysis and form invention. The research, through the analysis of some projects few designs, will try to analyze this issue through the rules of composition both graphical and concrete construction, hoping to decipher the mechanism underlying the invention. The almost total lack of published material on the project Teatro Domestico and the opportunity to visit the archives that preserve the drawings, has allowed the author of this study to deepen the internal issues in the project, thus placing this search as a first step toward possible further analysis on the works of Rossi linked to performance world. The final aim is therefore to produce material that can best describe the work of Rossi. Through the reading of the material published by the same author and the vision of unpublished material preserved in the archives, it was possible to develop new material and increasing knowledge about the work, otherwise difficult to analyze. The research is divided into two groups. The first, taking into account the close relationship most frequently mentioned by Rossi himself between archeology and architectural composition, stresses the importance of tipo such as urban composition reading system as well as open tool of invention. Resuming Ezio Bonfanti’s essay on the work of the architect we wanted to investigate how the paratactic method is applied to the early work conceived and, subsequently as the process reaches a complexity accentuated, while keeping stable the basic terms. Following a brief introduction related to the concept of the section and the different interpretations that over time the term had, we tried to identify with this facility a methodology for reading Rossi’s projects. The result is a constant typological interpretation of the term, not only related to the composition in plant but also through the elevation plans. The section is therefore intended as the overturning of such elevation is marked on the same plane of the terms used, there is a different approach, but a similarity of characters. The identification of architectural phonemes allows comparison with other arts. The research goes in the direction of language trying to identify the relationship between representation and construction, between the ephemeral and the real world. In this sense it will highlight the similarities between the graphic material produced by Ross and some important examples of contemporary author. The comparison between the composition system with the surrealist world of painting and literature will facilitate the understanding and identification of possible rules applied by Rossi. The second part of the research is characterized by a focus on the intent of the project chosen. Teatro Domestico embodies a number of elements that seem to conclude (assuming an end point but also to start) a curriculum author. With it, the experiments carried out on the theater started with the project for the Teatrino Scientifico (1978) through the project for the Teatro del Mondo (1979), into a Laic Tabernacle representative collective and private memory of the city. Starting from a reading of the draft, through the collection of published material, we’ve made an analysis on the explicit themes of the work, finding the conceptual references. Following the taking view of the original materials not published kept at Aldo Rossi's Archive Collection of the Canadian Center for Architecture in Montréal, will be implemented through the existing techniques for digital representation, a virtual reconstruction of the project, adding little to the material, a new element for future studies. The reconstruction is part of a larger research studies where the current technologies of composition and representation in architecture stand side by side with research on the method of composition of this architect. The results achieved are in addition to experiences in the past dealt with the reconstruction of some of the lost works of Aldo Rossi. A partial objective is to reactivate a discourse around this work is considered non-principal, among others born in the prolific activities. Reassessment of development projects which would bring the level of ephemeral works most frequented by giving them the value earned. In conclusion, the research aims to open a new field of interest on the part not only as a technical instrument of representation of an idea but as an actual mechanism through which composition is formed and the idea is developed.

Reconstruction of Etna recent flank eruptions for assessing diversion barrier project

The thesis contributed to the volcanic hazard assessment through the reconstruction of some historical flank eruptions of Etna in order to obtain quantitative data (volumes, effusion rates, etc.) for characterizing the recent effusive activity, quantifying the impact on the territory and defining mitigation actions for reducing the volcanic risk as for example containment barriers. The reconstruction was based on a quantitative approach using data extracted from aerial photographs and topographic maps. The approach allows to obtain the temporal evolution of the lava flow field and estimating the Time Average Discharge Rate (TADR) by dividing the volume emplaced over a given time interval for the corresponding duration. The analysis concerned the 2001, 1981 and 1928 Etna eruptions. The choice of these events is linked to their impact on inhabited areas. The results of the analysis showed an extraordinarily high effusion rate for the 1981 and 1928 eruptions (over 600 m^3/s), unusual for Etna eruptions. For the 1981 Etna eruption an eruptive model was proposed to explain the high discharge rate. The obtained TADRs were used as input data for simulations of the propagation of the lava flows for evaluating different scenarios of volcanic hazard and analyse different mitigation actions against lava flow invasion. It was experienced how numerical simulations could be adopted for evaluating the effectiveness of barrier construction and for supporting their optimal design. In particular, the gabions were proposed as an improvement for the construction of barriers with respect to the earthen barriers. The gabion barriers allow to create easily modular structures reducing the handled volumes and the intervention time. For evaluating operational constrain an experimental test was carried out to test the filling of the gabions with volcanic rock and evaluating their deformation during transport and placement.

Electron identification and reconstruction with the OPERA ECC bricks and search for muon neutrino to electron neutrino oscillations

The procedure for event location in OPERA ECC has been optimazed for penetrating particles while is less efficient for electrons. For this reason new procedure has been defined in order to recover event with an electromagnetic shower in its final state not located with the standard one. The new procedure include the standard procedure during which several electromagnetic shower hint has been defined by means of the available data. In case the event is not located, the presence of an electromagnetic shower hint trigger a dedicated procedure. The old and new location procedure has been then simulated in order to obtain the standard location efficiency and the possible gain due to the new one for the events with electromagnetic shower. Finally a Data-MC comparison has been performed for the 2008 and 2009 runs for what concern the NC in order to validate the Monte Carlo. Then the expected electron neutrino interactions for the 2008 and 2009 runs has been evaluated and compared with the available data.

Towards a Reconstruction of Thermal Properties of Light Nuclei from Fusion - Evaporation reactions

This thesis work has been developed in the framework of a new experimental campaign, proposed by the NUCL-EX Collaboration (INFN III Group), in order to progress in the understanding of the statistical properties of light nuclei, at excitation energies above particle emission threshold, by measuring exclusive data from fusion-evaporation reactions. The determination of the nuclear level density in the A~20 region, the understanding of the statistical behavior of light nuclei with excitation energies ~3 A.MeV, and the measurement of observables linked to the presence of cluster structures of nuclear excited levels are the main physics goals of this work. On the theory side, the contribution to this project given by this work lies in the development of a dedicated Monte-Carlo Hauser-Feshbach code for the evaporation of the compound nucleus. The experimental part of this thesis has consisted in the participation to the measurement 12C+12C at 95 MeV beam energy, at Laboratori Nazionali di Legnaro - INFN, using the GARFIELD+Ring Counter(RCo) set-up, from the beam-time request to the data taking, data reduction, detector calibrations and data analysis. Different results of the data analysis are presented in this thesis, together with a theoretical study of the system, performed with the new statistical decay code. As a result of this work, constraints on the nuclear level density at high excitation energy for light systems ranging from C up to Mg are given. Moreover, pre-equilibrium effects, tentatively interpreted as alpha-clustering effects, are put in evidence, both in the entrance channel of the reaction and in the dissipative dynamics on the path towards thermalisation.

Spectrum reconstruction from a scattering measurement using the adjoint Boltzmann transport equation for photons

Quality control of medical radiological systems is of fundamental importance, and requires efficient methods for accurately determine the X-ray source spectrum. Straightforward measurements of X-ray spectra in standard operating require the limitation of the high photon flux, and therefore the measure has to be performed in a laboratory. However, the optimal quality control requires frequent in situ measurements which can be only performed using a portable system. To reduce the photon flux by 3 magnitude orders an indirect technique based on the scattering of the X-ray source beam by a solid target is used. The measured spectrum presents a lack of information because of transport and detection effects. The solution is then unfolded by solving the matrix equation that represents formally the scattering problem. However, the algebraic system is ill-conditioned and, therefore, it is not possible to obtain a satisfactory solution. Special strategies are necessary to circumvent the ill-conditioning. Numerous attempts have been done to solve this problem by using purely mathematical methods. In this thesis, a more physical point of view is adopted. The proposed method uses both the forward and the adjoint solutions of the Boltzmann transport equation to generate a better conditioned linear algebraic system. The procedure has been tested first on numerical experiments, giving excellent results. Then, the method has been verified with experimental measurements performed at the Operational Unit of Health Physics of the University of Bologna. The reconstructed spectra have been compared with the ones obtained with straightforward measurements, showing very good agreement.

La committenza artistica dei Templari e degli Ospitalieri in Emilia Romagna

La tesi di dottorato La committenza artistica dei Templari e degli Ospitalieri in Emilia Romagna cerca attraverso un approccio metodologico multidisciplinare di ricostruire il patrimonio artistico delle commende dei due ordini religioso cavallereschi in regione. La tesi è stata concepita per riflettere anche a livello strutturale la metodologia d’indagine, così un primo capitolo è dedicato all’analisi storica dei due ordini, con particolare attenzione alla comprensione del rapporto tra gli ordini e il mondo dell’arte. Una secondo capitolo invece è incentrato sulla storiografia artistica relativa e sulle impegnative indagini d’archivio, che, soprattutto attraverso l’utilizzo di una vasta documentazione inedita, hanno permesso di fornire nuovi elementi alla definizione della rete degli insediamenti e della loro decorazione. Lo studio prosegue con la specifica ricostruzione storica e storico artistica delle commende attraverso l’indagine sui singoli insediamenti, dove si è cercato di dar conto delle vicende artistiche e della storia dei suoi protagonisti. Contestualmente alla redazione di questo capitolo, riconoscendo la storia, il senso e l’importanza della scuola stilistico-filologica, si procede alla redazione delle schede di catalogo delle opere superstiti, sia di quelle ancora nelle ex-commende sia di quelle che oggi hanno altre collocazioni. Successivamente, senza necessariamente trarre conclusioni definitive su un lavoro di ricerca che per sua natura è in divenire, si argomentano alcune riflessioni sulla natura, i limiti, i caratteri e l’evoluzione della committenza dei due ordini cavallereschi in regione. Si è così riscoperto un patrimonio artistico vasto e articolato che coniuga capolavori con opere di cultura assai più corsiva, ma comunque sempre capace di raccontare la storia dei suoi artefici (alcuni - come Aristotele Fioravanti, Girolamo da Treviso, Pietro Bembo o Ranuccio Farnese - veri e propri protagonisti del loro tempo), in continuo e sostanziale dialogo con le culture artistiche che hanno attraversato la regione, e non solo, tra Medioevo e Modernità.

The reconstruction of skeletal movement: the soft tissue artefact issue

In 3D human movement analysis performed using stereophotogrammetric systems and skin markers, bone pose can only be estimated in an indirect fashion. During a movement, soft tissue deformations make the markers move with respect to the underlying bone generating soft tissue artefact (STA). STA has devastating effects on bone pose estimation and its compensation remains an open question. The aim of this PhD thesis was to contribute to the solution of this crucial issue. Modelling STA using measurable trial-specific variables is a fundamental prerequisite for its removal from marker trajectories. Two STA model architectures are proposed. Initially, a thigh marker-level artefact model is presented. STA was modelled as a linear combination of joint angles involved in the movement. This model was calibrated using ex-vivo and in-vivo STA invasive measures. The considerable number of model parameters led to defining STA approximations. Three definitions were proposed to represent STA as a series of modes: individual marker displacements, marker-cluster geometrical transformations (MCGT), and skin envelope shape variations. Modes were selected using two criteria: one based on modal energy and another on the selection of modes chosen a priori. The MCGT allows to select either rigid or non-rigid STA components. It was also empirically demonstrated that only the rigid component affects joint kinematics, regardless of the non-rigid amplitude. Therefore, a model of thigh and shank STA rigid component at cluster-level was then defined. An acceptable trade-off between STA compensation effectiveness and number of parameters can be obtained, improving joint kinematics accuracy. The obtained results lead to two main potential applications: the proposed models can generate realistic STAs for simulation purposes to compare different skeletal kinematics estimators; and, more importantly, focusing only on the STA rigid component, the model attains a satisfactory STA reconstruction with less parameters, facilitating its incorporation in an pose estimator.

Scene Reconstruction And Understanding By RGB-D Sensors

This thesis investigates interactive scene reconstruction and understanding using RGB-D data only. Indeed, we believe that depth cameras will still be in the near future a cheap and low-power 3D sensing alternative suitable for mobile devices too. Therefore, our contributions build on top of state-of-the-art approaches to achieve advances in three main challenging scenarios, namely mobile mapping, large scale surface reconstruction and semantic modeling. First, we will describe an effective approach dealing with Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) on platforms with limited resources, such as a tablet device. Unlike previous methods, dense reconstruction is achieved by reprojection of RGB-D frames, while local consistency is maintained by deploying relative bundle adjustment principles. We will show quantitative results comparing our technique to the state-of-the-art as well as detailed reconstruction of various environments ranging from rooms to small apartments. Then, we will address large scale surface modeling from depth maps exploiting parallel GPU computing. We will develop a real-time camera tracking method based on the popular KinectFusion system and an online surface alignment technique capable of counteracting drift errors and closing small loops. We will show very high quality meshes outperforming existing methods on publicly available datasets as well as on data recorded with our RGB-D camera even in complete darkness. Finally, we will move to our Semantic Bundle Adjustment framework to effectively combine object detection and SLAM in a unified system. Though the mathematical framework we will describe does not restrict to a particular sensing technology, in the experimental section we will refer, again, only to RGB-D sensing. We will discuss successful implementations of our algorithm showing the benefit of a joint object detection, camera tracking and environment mapping.